IBM 연구진, AFM으로 절연층 위 단일 분자 에너지 준위 최초 정량화

오늘 Nature Nanotechnology에 발표된 획기적 연구에서, IBM 과학자들이 절연 표면 위 단일 분자의 에너지 준위를 사상 최초로 정량화했습니다. 이 이정표는 실용적 단일 분자 전자소자 실현에 한 걸음 더 다가가게 합니다.

배경

1980년대부터 원자힘현미경(AFM)은 날카로운 팁과 시료 사이의 피코뉴턴급 힘을 감지하게 해주었습니다. 2009년 IBM과 협력자들은 비접촉 AFM으로 표면 위 개별 원자의 전하 상태를 판별할 수 있음을 보였습니다. 이번 연구는 그 기술을 절연층 위 단일 분자로 확장해, 분야의 오랜 과제를 해결했습니다.

방법론

연구진은 금속 기판 위에 초박막 염화나트륨(NaCl) 다층을 성장시켰습니다. 이 구조는 분자를 전도성 금속에서 격리해 전하 상태를 안정적으로 유지시킵니다. AFM 팁으로 미세 조정된 전압을 가하면서, 단일 전자가 팁과 분자 사이를 터널링할 때 생기는 미세한 힘을 기록했습니다.

전자가 분자 위아래로 홉하는 데 걸리는 시간을 양방향으로 측정해, 각 전하상태 전이에 필요한 에너지를 추출했습니다. 그 결과 재구성 에너지—전하 변화에 대응해 시스템이 소모해야 하는 에너지—가 이 구성에서 단일 분자에 대해 최초로 측정되었습니다.

주요 발견

연구는 단일 나프탈로시아닌(NPc) 분자에 초점을 맞췄습니다. AFM의 힘 감도는 젭토암페어(10^–21 A) 영역에 도달해, 수 초마다 단일 전자를 검출할 수 있었습니다. 이 전례 없는 감도 덕분에 전자 첨가와 제거 양방향의 에너지 준위를 결정할 수 있었는데, 이는 기존 단일 분자 연구에서 불가능했던 능력입니다.

"양방향 에너지 준위 측정 능력이 이전에는 없었습니다."라고 IBM 물리학자 레오 그로스는 말합니다. "우리 AFM 방법으로 이제 절연체 위 분자의 완전한 전하상태 지형을 그릴 수 있습니다."

"충전에 따른 원자 위치 변화가 에너지 준위를 크게 바꾸어, 전자전달 속도를 몇 차수나 조절할 수 있습니다."라고 제1저자 샤디 파타예르가 덧붙였습니다.

함의

이 발견은 반도체 칩 결함 특성화, 광전소자, 유기반도체 등 나노스케일 전자부품 설계에 폭넓은 함의를 가집니다. 개별 분자가 절연 환경과 어떻게 상호작용하는지 이해하면, 엔지니어들은 소자 제조의 궁극적 규모에서 전하 수송을 더 잘 예측하고 제어할 수 있습니다.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1